Типы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока и способы их возбуждения

Генераторы постоянного тока находят широкое применение в современных электроустановках (зарядные агрегаты, транспортные средства, усилители мощности, прожекторные установки, возбудители синхронных машин и т. д.).

Способы возбуждения генераторов. По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы, возбуждаемые электромагнитным путем, и генераторы с постоянными магнитами (магнитоэлектрические).

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), последовательного возбуждения (сериесные) и смешанного возбуждения (компаундные).

На рис. 1.11, а—г изображены принципиальные схемы этих генераторов.

Уравнение равновесия ЭДС. Уравнение электрического равновесия генератора, работающего под нагрузкой, может быть записано в следующем виде:

где иг напряжение на зажимах генератора; Еа ЭДС обмотки якоря; 1а ток якоря; Яа сумма всех сопротивлений цепи якоря (сопротивлений обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов, последовательной обмотки возбуждения и переходного сопротивления щетки — коллектор).

Рис. 1.11. Принципиальные схемы генераторов постоянного тока

Электромагнитный момент. Якорь генератора приводится во вращение первичным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент. Когда генератор работает под нагрузкой, в нем создается тормозной момент, который называется электромагнитным и определяется из выражения

где Рэи электромагнитная мощность генератора, в которую не входят электрические потери в якоре; со — угловая скорость вращения якоря.

Подставляя значения этих величин, получаем

где С, =—величина, постоянная для данной машины.

Обычно для практических расчетов индекс «эм» опускают, тогда в окончательном виде формула электромагнитного момента может быть записана следующим образом:

Если ток выражен в амперах, а магнитный поток в веберах, то момент получают в ньютонометрах [Н • м|.

Условия самовозбуждения. Напряжение на зажимах генераторов с параллельным, последовательным и смешанным возужде-ниями создается в процессе самовозбуждения. Объясним процесс самовозбуждения на примере генератора с параллельным возбуждением (рис. 1.12).

Принципиальная схема генератора

Рис. 1.12. Принципиальная схема генератора

Принцип самовозбуждения заключается в следующем. В полюсах и ярме машины обычно всегда имеется магнитный поток остаточного намагничивания Фост ( 1 —3% от номинального). Если, замкнув цепь возбуждения, приведем якорь во вращение с номинальной скоростью, то под действием этого потока в обмотке якоря наведется небольшая ЭДС и на зажимах появится напряжение примерно 1—3% от номинального ином. Под действием этого напряжения по цепи возбуждения потечет небольшой ток, создающий добавочный поток намагничивания ФДОб-

В зависимости от направления тока в обмотке возбуждения ПОТОК Фдоб может быть направлен либо встречно с потоком Фосх, либо согласно с ним. Процесс самовозбуждения генератора может идти только при согласном направлении обоих потоков, т. е. в сторону, определяемую направлением потока Фост. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводимой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения и потока Ф машины и т. д.

Выясним предел, до которого идет процесс самовозбуждения. При этом будем считать, что генератор работает вхолостую, т. е. /н = 0.

Так как в процессе самовозбуждения ток /„ и напряжение 1/в непрерывно меняются, то для цепи возбуждения на основании II закона Кирхгофа можно написать уравнение электрического равновесия

где ив напряжение на зажимах цепи возбуждения; е? — ЭДС самоиндукции; /,Д, — падение напряжения в цепи возбуждения. Так как

где Ьв индуктивность цепи возбуждения, то равенство (1.8) может быть записано в виде

Обычно процесс самовозбуждения ведется при ХОЛОСТОМ ходе и RB = const. В этом случае зависимость ыв =/(/в) изображается обычной кривой холостого хода — кривая / на рис. 1.13; зависимость iBRB =/(/в) определяется прямой 2 на том же рис. 1.13, а ве-

личина Тв —- — отрезками ординат между кривой 1 и прямой 2.

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

Рис. 1.13. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

В точке пересечения^ кривой 1 и прямой 2ЭДС eL = 0, а следова-

тельно, —- = 0. В цепи возбуждения устанавливается постоянный dt

ток возбуждения /в = /в = const, которому соответствует вполне определенное напряжение на зажимах генератора

и в = UH= U= const,

т. е. в точке А процесс самовозбуждения прекращается.

Наклон прямой 2, или tga = iBRB //в = RB , можно изменять, изменяя сопротивление цепи возбуждения

где Roli сопротивление обмотки возбуждения, а Rp сопротивление регулировочного реостата.

Если Rp = 0, то точка А максимально смещается вправо. При увеличении сопротивления Rp точка А будет перемещаться по кривой 1 к ее началу. При достаточно большом сопротивлении Rp прямая iBRB становится касательной к кривой /, и, следовательно, машина не самовозбудится. Сопротивление Rp, при котором генератор уже не возбуждается, называется критическим, в этом случае tgaKp = RB кр.

Таким образом, для самовозбуждения генераторов постоянного тока необходимо соблюсти следующие три условия:

Общие сведения о генераторах постоянного тока

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 25 января 2013 .
Категория: Статьи.

Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и так далее). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения

Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рисунок 1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготавливаются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением.

В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.

Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3 – 5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая – к машинам мощностью около 1 кВт.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рисунок 1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рисунок 1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рисунок 1, г).

Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающую силу одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть намагничивающей силы возбуждения (65 – 80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.

Схемы генераторов и двигателей постоянного тока

Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)

На рисунке 1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) подключен за последовательной обмоткой возбуждения ("длинный шунт"), однако этот конец может быть присоединен и непосредственно к якорю ("короткий шунт"). Существенной разницы в этих вариантах соединения нет, так как падение напряжения в последовательной обмотке составляет только 0,2 – 1,0% от Uн и ток iв мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рисунке 1, г.

В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1 – 5% от номинального тока якоря Iан или тока нагрузки Iн = Iанiв. В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу: iв = Iа = I и падение напряжения на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1 – 5% от Uн. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения – относительно малое число витков большого сечения.

В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты Rр.в (рисунок 1, а, б, и г).

Крупные машины постоянного тока работают с независимым возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью имеют параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением менее распространены.

Энергетическая диаграмма

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока.

Читайте также  Тема автомобильный генератор реле регулятор

На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей

P2 = P1pмхpмгpдpэла = Pэмpэла (1)

Можно написать также следующее уравнение мощностей:

P1 = pмх + pмг + pд + Pэм (2)

Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов.

Уравнение вращающих моментов

Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря

то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:

(3)
(4)

представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,

(5)

– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и

(6)

– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.

В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения

(7)

где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин < 0, он действует в направлении вращения и является движущим, поддерживая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вращающихся масс.

Таким образом, в общем случае, при n ≠ const,

(8)
Mст = M + Mэм (9)

соответствующий статическим силам, называют статическим моментом. Поэтому можно также написать

Mв = Mст + Mдин (10)

Уравнение напряжения

Уравнение напряжения U на зажимах генератора имеет вид

U = EаIа × rа – 2 × ΔUщ (11)
Eа = cе × Фδ × n (12)

представляет собой э. д. с. якоря, rа – сопротивление всех последовательно соединенных обмоток цепи якоря, а 2 × ΔUщ – падение напряжение в контактном слое щеток обеих полярностей.

Обычно для упрощения вычислений вводят постоянное сопротивление щеточных контактов

Rщ = 2 × ΔUщ / Iан (13)

и вместо выражения (11) пользуются уравнением

(14)
Rа = rа + Rщ (15)

– полное сопротивление якоря.

Вследствие непостоянства переходного сопротивления щеток уравнение (14) является несколько приближенным, но погрешность незначительна. Для угольных и графитных щеток берется 2 × ΔUщ = 2 В и для металлографитных щеток 2 × ΔUщ = 0,6 В. В режиме генератора всегда U меньше Eа.

Установка щеток в нейтраль

Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали.

Установка щеток на нейтраль производится индуктивным способом – путем включения и выключения постоянного тока в обмотке возбуждения неподвижной машины и наблюдения за показаниями вольтметра или гальванометра, присоединенного к щеткам. Щеточная траверса устанавливается и закрепляется в положении, при котором отклонение стрелки прибора при включении и выключении тока возбуждения равно нулю или минимально. Лучше иметь прибор с нулем посредине шкалы. Ток в обмотке возбуждения не должен превышать примерно 10% от номинального во избежание индуктирования больших э. д. с. самоиндукции, способных повредить изоляцию обмотки возбуждения.

Можно также установить щетки в таком положении, когда при холостом ходе у генератора напряжение максимально или у двигателя скорость вращения минимальна. Однако этот способ является более грубым.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Классификация ГПТ производится по способу их возбуждения. Существует 2 типа генераторов: генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Независимое возбуждение может быть электромагнитным и магнитоэлектрическим. В генераторах с электромагнитным возбуждением ОВ подключается к независимому источнику питания. Ток в цепи возбуждения изменяется в широких пределах с помощью регулировочного реостата. Мощность, потребляемая ОВ невелика и в номинальном режиме составляет (1…5)%Р ном.

В генераторах с магнитоэлектрическим возбуждением для создания поля используются постоянные магниты, устанавливаемые на полюсах. Обычно, это генераторы небольшой мощности. Основной их недостаток-это трудность регулирования напряжения.

Генераторы с самовозбуждением бывают параллельного (шунтового), последовательного (сериесного) и смешанного (компаундного) возбуждения. В таких генераторах ОВ получает питание от собственного якоря.

В генераторах с параллельным возбуждением ток нагрузки определяется суммой тока якоря и тока ОВ I= I а + I в , в генераторах с последовательным возбуждением I= I а = I в .

Генераторы смешанного возбуждения имеют 2 ОВ: параллельную и последовательную Параллельная обмотка имеет большое число витков и выполнена проводниками относительно небольшого сечения, последовательная обмотка имеет малое число витков и выполнена проводниками большого сечения. У этих генераторов обмотки могут включаться согласно (МДС направлены в одну сторону) и встречно (МДС направлены в разные стороны). Наиболее часто применяется согласное включение, т.к. при встречном включении происходит размагничивание магнитной системы.

Характеристики генераторов постоянного тока

Рабочие свойства эл. машин определяются их характеристиками. Для ГПТ основными характеристиками являются характеристики хх, нагрузочная, внешняя и регулировочная. Все характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря и могут быть получены как экспериментально, так и расчетным путем.

Характеристика хх – это зависимость ЭДС хх от тока возбуждения Е 10 = f ( I в ) при разомкнутой цепи якоря

Характеристика представляет собой часть петли гистерезиса. При I в =0 в обмотке статора наводится ЭДС Е ост , которая создается полем остаточной намагниченности статора и называется полем остаточного магнетизма. Значение этой ЭДС составляет 1…3% от номинального напряжения машины.

При проведении опыта хх характеристику получают снижением I в от максимального значения до 0 (кривая 1), затем передвигая ее вправо получают расчетную характеристику (кривая 2).

При снятии характеристики необходимо следить, чтобы I в изменялся в одном направлении: или только увеличивался или только уменьшался, т.к. в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Значение характеристики хх в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной системы машины. Кроме того она необходима для построения других характеристик.

Нагрузочная характеристика – это зависимость напряжения ГПТ от тока возбуждения U = f ( I в ) при неизменном токе якоря I а . Практическое значение этой характеристики заключается в возможности определения по ней размагничивающего действия реакции якоря и зависимости реакции якоря от насыщения магнитной цепи и тока якоря.

Характеристику строят совместно с характеристикой хх, т.к. ее можно рассматривать как частный случай хх (при I а =0)

Нагрузочная характеристика 2 генератора независимого возбуждения расположена ниже характеристики хх 1вследствие падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

В генераторе постоянного тока параллельного возбуждения из-за небольшого тока возбуждения по сравнению с током якоря характеристика практически не отличается от характеристики генератора с независимым возбуждением.

Характеристика генератора со смешанным возбуждением может располагаться как выше характеристики хх так и ниже ее.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки U = f ( I ) при постоянном токе возбуждения для генераторов с независимым возбуждением или постоянным сопротивлением цепи обмотки возбуждения для генераторов с самовозбуждением.

Внешнюю характеристику можно снимать при увеличении или снижении нагрузки. Рассмотрим характеристику при снижении нагрузки.

Исходной точкой в этом случае является точка, в которой номинальному току нагрузки I ном соответствует номинальное напряжение U ном . Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке называют номинальным током возбуждения I в.ном .

У генератора с независимым возбуждением I в.ном поддерживается постоянным (кривая 1). Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшают до 0. Напряжение генератора при этом увеличивается, т.к. уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При хх U = U = Е. По внешней характеристике определяют изменение напряжения

Δ U =( U — U ном )/ U ном . Обычно Δ U выражается в % и для генератора независимого возбуждения составляет 10…15%

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением (кривая 2) снимают при постоянном сопротивлении ОВ. При увеличении тока нагрузки напряжение возрастает более интенсивно, чем в генераторе с независимым возбуждением, т.к. с ростом U увеличивается и ток возбуждения и ЭДС ОЯ, чего не происходит при независимом возбуждении.

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением ОВ наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, а последовательная рассчитывается так, чтобы несколько перекомпенсировать размагничивающее действие реакции якоря. При этом последовательная обмотка создает избыточную МДС, которая увеличивает магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. Поэтому внешняя характеристика будет располагаться ниже характеристик с независимым и параллельным возбуждением (кривая 3).

Читайте также  Тойота приус с генератором

В генераторах со встречным включением ОВ МДС последовательной обмотки будет размагничивать машину, действуя согласно с размагничивающим действием реакции якоря. Но при уменьшении нагрузки их размагничивающее действие будет уменьшаться, что приведет к увеличению напряжения большему чем при параллельном возбуждении. Поэтому характеристика располагается выше, чем характеристика при параллельном возбуждении (кривая 4).

Регулировочная характеристика — это зависимость тока возбуждения генератора от его нагрузки I в = f ( I ) при неизменном напряжении U = U ном . Обычно ее снимают при увеличении нагрузки, при этом первая точка соответствует режиму хх, т.е. I =0.

В генераторах с независимым возбуждением при увеличении нагрузки ток возбуждения также необходимо увеличивать, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за увеличения падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря (кривая 1).

В генераторах параллельного возбуждения характеристика совпадает с характеристикой генератора независимого возбуждения (кривая 2).

В генераторах со смешанным согласным возбуждением при увеличении нагрузки ток возбуждения надо сначала уменьшать при увеличении нагрузки, а после достижения номинальной нагрузки, когда напряжение генератора начнет уменьшаться, ток возбуждения следует увеличивать (кривая 3).

В генераторах со встречным включением ОВ из-за их сильного размагничивания с ростом тока нагрузки для поддержания напряжения необходимо резко увеличивать ток возбуждения (кривая 4).

Следовательно, наибольшее изменение напряжения при изменении тока нагрузки характерно для генераторов смешанного возбуждения при встречном включении ОВ, а наименьшее- для генераторов при согласном включении ОВ.

Генераторы со смешанным согласным и параллельным возбуждением применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока. Генераторы со смешанным согласным возбуждением применяются, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, т.к. в них возможно автоматическое поддержание напряжения.

Генераторы с независимым возбуждением применяются, когда требуется менять в широких пределах напряжение источника постоянного тока, например, в электроприводах для питания двигателей постоянного тока с широким изменением регулирования частоты вращения.

Условия самовозбуждения генераторов

У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря. Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения oт постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Магнитный поток остаточного магнетизма в обмотке вращающегося якоря наводит ЭДС. Эта ЭДС (ЭДС остаточного магнетизма Е ост ) невелика и составляет 1-3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к якорю, то ЭДС Е ост создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения, и т.д..

Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения. Тогда

На рис. 9 показаны зависимости E=f(I в ) и I в ΣR в = f(I в ) при n = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1 ), а вторая — характеристикой цепи возбуждения.

hello_html_m566a18b9.jpg

Если принять, что ΣR в = const , то характеристика цепи возбуждения представляет собой прямую линию (2 на рис. 9), идущую под углом α к оси абсцисс, причем tg α = I в ΣR в /I в = . ΣR в . Точка пересечения характеристик (точка А) соответствует равенству (2), а ЭДС Е , соответствующая этой точке, является той ЭДС, которая установится при данном сопротивлении ΣR в на выводах машины. При изменении ΣR в будет изменяться ЭДС Е . Если увеличить сопротивление ΣR в , то угол наклона характеристики цепи возбуждения а возрастет, а точка А переместится влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R в,кр , называемом критическим, прямая I в R в,кр совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода (прямая 3). Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления ΣR в самовозбуждения происходить не будет, так как прямая I в ΣR в = f(I в ) в этом случае не пересекает характеристику холостого хода (прямая 4).

Если генератор работает с переменной частотой вращения п, то для каждой частоты вращения будет своя характеристика холостого хода E=f(I в ) , так как Е пропорциональна п (кривые 1 — 3 на рис. 10). В соответствии с этим для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления R в,кр . Для каждого сопротивления ΣR в существует критическое значение частоты вращения, ниже которого самовозбуждение невозможно (кривая 2 на рис. 10).

Самовозбуждение генератора происходит в том случае, если ток I в , протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направленный согласно с потоком остаточного магнетизма. При неправильном включении обмотки возбуждения эти потоки будут направлены встречно и самовозбуждения происходить не будет. Тогда для изменения направления тока I в в обмотке возбуждения следует поменять местами концы подводящих проводников, соединяющих обмотку возбуждения с якорем.

Генератор постоянного тока – обзор конструкций, а также их характеристика. Инструкция как сделать своими руками в домашних условиях

Современный окружающий нас мир трудно представить без электрической энергии. Одними из устройств, для производства с детства привычного нам электричества, и являются генераторы разных типов. Рассмотрим устройство генератора постоянного тока.

Любой генератор является механизмом, для преобразования любого вида механической энергии в электрическую. Любое механическое усилие, будь то рычаг, электрический или бензиновый двигатель, служит источником энергии. А подведение этого источника к генератору приводит к выработке им электрического тока.

Основное отличие от генераторов переменного тока заключается в необходимости присутствия аккумулятора или ИБП. Это значительно сужает их применение в промышленности и бытовой сфере.

В последнее время, в связи с повсеместным развитием электротранспорта их используют в качестве источника питания для электромобилей, погрузчиков, троллейбусов и прочего автотранспорта.

К достоинствам можно отнести малые габариты и вес, отсутствие потерь мощности на вихревых токах и малую зависимость от климатических условий. Чтобы понять, что представляет из себя это устройство, достаточно взглянуть на фото генератора постоянного тока.

Краткое содержимое статьи:

Конструкция генератора

Рассмотрим, что представляет собой генератор постоянного тока. Во-первых, это изготовленный из прочной стали или чугуна корпус устройства. По корпусу также проходит магнитное поле, создаваемое полюсами генератора. Во-вторых, это ротор и статор.

На ферромагнитный статор закрепляется катушка возбуждения. Направление магнитного потока определяют сердечники статора, оснащённые полюсами.

Для большого КПД самого генератора, ротор собран из металлических пластин. Кроме того такая конструкция ротора позволяет значительно сократить появление вихревых токов.

На металлические пластины сердечника наматывают медную или обмедненную обмотку – обмотку самовозбуждения. Количество щеток генератора, изготавливаемых из графита, зависит от количества полюсов на нем, как минимум две. Конструкцию генератора мы можем наглядно рассмотреть на рисунке.

Вывод контура генератора соединяются с помощью коллекторных пластин. Пластины делаются из доступного и хорошего проводника электрического тока – меди, а разделяются между собой диэлектриком.

Принцип действия

Принцип действия генератора постоянного тока, как и любого другого устройства похожего типа основан на знакомого нам со школы явления электромагнитной индукции и появление в устройстве электродвижущей силы – ЭДС. Вспомним школьную физику: если к проводнику с вращающимся внутри него постоянным магнитом присоединить какую-либо нагрузку, то в ней появится переменный ток. Такое возможно из-за того, что поменялись местами магнитные полюса самого магнита.

Чтобы получить ток постоянный необходимо присоединять точки подключения нагрузки синхронно со скоростью вращения магнита. Для этого и предназначен в генераторе коллектор, закреплённый на роторе и крутящийся с той же частотой.

Снимается полученная в результате всего этого процесса энергия с помощью графитных щёток, обладающих хорошей проводимостью и достаточно низким трением. Когда происходит переключения пластин коллектора ЭДС равна нулю, но полярность ее не меняется, за счёт переподключения на другой проводник.

Классификация

Разделение генераторов по классам происходит по тому принципу, как они возбуждаются. Есть два основных типа классификации генераторов, это самовозбуждающиеся и генераторы с независимым возбуждением.

Первый класс это устройства, где обмотка питается непосредственно от якоря. Его можно подразделить на последовательно, параллельное и смешанное возбуждение. Второй класс подразделяется на электромагнитное и магнитоэлектрическое возбуждение.

Способы возбуждения

За счёт использования в устройствах малой мощности постоянных магнитов получается магнитное возбуждение. Соответственно при использовании электромагнитов имеем электромагнитное. Данный способ нашёл широкое применение при производстве генераторов такого типа.

Читайте также  Аватария промокоды генератор промокодов

Ещё способы возбуждения генераторов постоянного тока зависят от назначения нужного нам генератора и от того, каким способом подключим обмотку. Если подключить обмотку через специальный реостат к внешнему истоку тока, тогда имеем независимое возбуждение. Такие генераторы находят широкое применение в электрохимическом производстве.

При подключении обмотки через все тот же реостат к клемам самого генератора, получим параллельное возбуждение. Большим плюсом генераторов с таким типом возбуждения является его защита от короткого замыкания, обусловленного все тем же способом возбуждения.

Если обмотку подключить последовательно к якорю, то получится последовательное возбуждение. При таком способе подключения наблюдается сильная зависимость изменения напряжения от величины подключённой нагрузки.

При наличии в генераторе двух обмоток имеет место смешенное подключение, одну обмотку подключают последовательно, другую параллельно.

Подключение проводят таким образом, чтобы создавались магнитные потоки в одном векторе. Число витков при таком подключение в обмотках рассчитывается так, чтобы падение напряжение на одной обмотке компенсировалось другой.

Технические характеристики

Под основными техническими характеристиками генераторов можно понимать следующие величины. Это ЭДС генератора. Непосредственно с ЭДС любого генератора напрямую связана его полная электрическая мощность, которая ей прямопропорциональна.

Полная мощность возрастает при увеличении количества полюсов и частоты оборотов якоря. Полезная же мощность, передаваемая на подключённое внешнее устройство, равна произведению выходного тока на выходное напряжение.

Основная характеристика любого производящего что-либо устройства, в том числе и нашего генератора это КПД. Если генератор выключить, а потом включить, то его КПД будет уменьшаться, в связи с увеличением затрат энергии на нагрев обмотки. Различают электрический КПД и промышленный.

Если генератор работает на холостом ходу или загружен не полностью, то и КПД соответственно значительно уменьшается. Для того чтобы получить комфортный в экономическом плане режим работы генератора в сети, где нагрузка постоянно изменяется, подключают несколько генераторов, соединённых между собой параллельно.

При таком подключении, причём желательно через автомат и вольтметр, добиваются равномерного распределения нагрузки между работающими генераторами. При увеличении потребления внешней нагрузки, в работу включается второй генератор, тем самым регулируя обороты первого и выравнивая напряжение.

При использовании генераторов со смешанным возбуждением происходит автоматическая регулировка характеристик работающих вместе генераторов, повышается стабильность работы. Это возможно из-за того, что в таких генераторах есть уравнительный провод, проходящий между отрицательными или положительными щётками. Именно эта шина и делает работу таких генераторов устойчивой.

ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Устройство генератора постоянного тока

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

  • длина проволоки;
  • величина индукции магнитного поля;
  • частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Принцип действия генератора постоянного тока

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

  • с независимым возбуждением;
  • с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

  • с параллельным возбуждением;
  • с последовательным возбуждением;
  • со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

  • подвижная вращающаяся часть якорь;
  • неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

  • простота конструкции, компактность;
  • надежность;
  • экономичность;
  • обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
  • практически линейная внешняя характеристика.
  • высокая стоимость;
  • ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: